新型励磁电机冷却系统设计

外励磁同步电机（简称EESM）在电动汽车中越来越受欢迎。主要是这些电机没有稀土永磁体。与永磁同步电机相比，优势更大:

然而，即使是最先进的EESM电机也存在一些挑战，包括:

为了应对这些挑战，改进定子和转子冷却方法，以及一种无刷谐振感应励磁系统来提供转子电流，这两种方法都与紧凑化的电驱系统解决方案兼容。该解决方案结构紧凑、效率高，并在额定性能方面有显着改进。

由于EESM电机的发展受到电驱动系统选择的影响，因此首先回顾电动汽车传动系统的单速电驱动系统架构是有帮助的。如图1所示。

图1 不同结构类型的单速电驱动系统

虽然图1中的后两种类型提供最小的封装尺寸，但它们对EESM电机来说是最具挑战性的，因为同轴输出轴会导致空心电机轴和滑环的直径增加，从而增加拖曳力矩和电刷的磨损率。同轴输出轴也可能与某些油冷却方法所需的空间冲突，以及旋转变压器配置(用于无刷eesm)。

如图2所示的基本转子和定子设计。这些是为有刷电机(Gen1)和无刷电机版本(Gen2)共同开发的，以使两种机器类型能够进行比较。采用多物理场优化工具对转子和定子进行了设计，采用现行制造工艺进行了原型机制造。

图2 EESM电机转子和定子示意图

设计要求始于同轴变速箱的假设，其目的是开发的冷却和无刷概念可以很容易地适应其他架构。

开发了一种新的定子冷却概念，该概念使用高表面积背铁冷却，然后馈送油来喷雾冷却定子端匝。通过使用环向油流，与典型的轴向油流相比，对流冷却的表面积更大。

图3显示了该设计中的油流路径。油入口位于定子的底部，油分成两流，向上馈送到两端的有角度的喷雾孔。这种冷却概念适用于有刷和无刷实现，也可用于IPM和感应电机。

图3 定子冷却概念

转子冷却的概念被开发为可与刷和无刷解决方案互换使用。这些概念建立在冷却永磁同步电机(PMSM)的经验基础上，包括转子堆冷却通道等方法。

图4显示了转子冷却基准概念。流向转子的油流从同轴电机和齿轮箱输出轴之间的环形空间供给。冷却油通过每个转子杆下的冷却通道，从层压堆的中心向末端轴向流动。油离开层压堆然后直接冷却绕组端转的所有方面，并通过平衡环孔退出转子。由此产生的高速径向喷雾然后冷却定子绕组端转。

图4 转子基准冷却

下一个转子冷却概念是建立在基线设计的基础上，但利用了更多的源头冷却。直接油冷却扩展到线圈的两极之间，提供“极间冷却”，如图5所示。与在两极之间使用冷却管方法相比，直接冷却避免了油和绕组之间的接触电阻和传导电阻。极间冷却增加了从转子传递的热量，并消除了会影响连续性能的中间堆热点。

图5 极间的冷却示意图

热模拟对这两种新型冷却方法进行了分析。图6显示了第1代原型机在基线转子冷却情况下的仿真与试验对比。各测点的定子和绕组温度与仿真结果吻合较好。

图6 热模拟与测试数据比较

热模拟用于比较基线和极间转子冷却。添加极间冷却可以将连续性能提高12%，如图7所示。

图7 基线和极间转子冷却比较

对于Gen2无刷方法，必须考虑多个组件，并且每个组件都有不同的设计概念。为了提高效率，我们选择了带谐振补偿的感应励磁系统，如图8所示。为了实现最小的整体尺寸，将旋转变压器和整流器的复杂性降到最低，并将这些组件紧密集成到eMotor中，这一点非常重要。虽然现场逆变器的原型为单独的电子封装，但设计意图是将其集成到主逆变器中。

图8 无刷励磁系统示意图

在将无刷励磁集成到eMotor中后，有两个节省空间的优势变得明显:(1)旋转变压器和整流器比电刷和滑环需要更少的空间；(2)无刷组件可以与有源转子组件集成，因为组件不必与喷油区域密封。这也减少了所需的轴封和相关的阻力损失。总体而言，高度集成的Gen2无刷设计比Gen1无刷设计节省了15%的空间，如图9所示。

图9 EESM尺寸减小示意图